Muñoz-Payri, 1978, Turbomaquinas Termicas

INDICE DE MATERIAS

1.- La máquina térmica. Generalidades. 1.1 -

La máquina de fluido ........................................................................

11

1.2 -

El motor térmico ...............................................................................

13

1.3 -

Motores de combustión externa e interna .........................................

15

1.4 -

Clasificación de los motores térmicos ................................................

17

1.5. -

Campo de aplicación presente y futuro de los motores térmicos ........

18

2.- Tendencias y modificaciones del ciclo de Rankine. 2.1 -

Generalidades ....................................................................................

23

2.2 -

Influencia de la presión y temperatura iniciales del vapor...................

23

2.3 -

Influencia de la presión del condensador ...........................................

26

2.4 -

Ciclo con recalentamiento intermedio ...............................................

27

2.5 -

Ciclo regenerativo ..............................................................................

29

2.6

Ciclo binario de mercurio yagua ................. ;.....................................

32

2.7 -

Ciclo para la producción de energ ía y vapor ......................................

33

3.- Ciclos de las turbinas de gas. 3.1 -

Generalidades ....................................................................................

35

3.2 -

Ciclo simple........................................................................................

36

3.2.1

Generalidades ...................................................................

36

3.2.2 -

Descripción del proceso real.............................................

37

3.2.3

Ciclo teórico con compresión y expansión no isentrópicas..

39

Pág.

6 3.2.4 -

Ciclo con compresión y expansión isentrópicas ................. .

3.2.5 -

Cálculo de los ciclos de las turbinas de gas con la ayuda de las tablas termod'¡námicas del aire ......................................

45

Potencia interna y potencia efectiva de una turbina de gas..

47

El ciclo simple regenerativo de la turbina de gas.................................

48

3.3.1

Generalidades ....................................................................

48

3.3.2 -

Ciclo teórico con compresión y expansión no isentrópicas.

49

3.3.3 -

Ciclo teórico con compresión y expansión isentrópicas. Lí·

3.2.6 3.3 -

45

3.3.4 -

mite de la recuperación ...... .......................................... .....

53

Ventajas e inconvenientes del ciclo regenera ti va ................

55

4.- Ciclos de las turbinas de gas (continuación). 4.1 -

Ciclos compuestos ..............................................................................

57

4.1.1 -

Ciclo con compresión isoterma ..........................................

57

4.1.2 -

Ciclo con expansión isoterma .............................................

58

4.1.3 -

Compresión escalonada con refrigeración intermedia..........

59

4.1.4 -

Expansión escalonada con aportación de calor intermedia.

61

4.1.5 -

CIclos compuestos ............................................................

62

4.2 -

Ciclo cerrado .....................................................................................

64

4.3 -

Combinación de ciclos de vapor y de gas ...........................................

66

4.4

Combinación de ciclos de gas con procesos qu ímicos .......................

69

4.5 -

Combinación de ciclos de gas con motores de émbolo .......................

71

5.- IVIotores de Reacción. 5.1

Generalidades ............................ ,.......................................................

73

5.2 -

Motores cohete

................................................................................

74

5.2.1 -

Determinación del empuje ................................................

74

5.2.2

Rendimientos de un motor cohete .. :.................................

78

7

5.3 -

Aerorreactores ....................................... ...........................................

80

5.3.1 -

Determinación del empuje ................................................

80

5.3.2 -

Rendimientos de un aerorreactor .......................................

82

5.4 -

Turborreactor ......... ...................... ......................................... ...........

84

5.5 -

Estatorreactor y pulsorreactor ..........................................................

89

5.6

Turbofán y turbohélice .....................................................................

90

6.- Ecuación fundamental de las turbomáquinas. 6.1

Deducción de la ecuación fundamental de las turbomáquinas (ecua ción de Euler) ....................................................................................

93

6.2 -

Ecuaciones de la energ ía referidas a ejes inerciales y no inerciales ......

96

6.3 -

Aplicación de las ecuaciones anteriores a turbinas y turbocompresores

98

7.- Escalonamientos 'en las turbomáquinas.

7.1

Esca lona mientas en las turbinas .......................................................

7.2 -

Relación entre el rendimiento de un escalonamiento y el del conjunto

7.3 -

107

de la máquina .... ....................................................... .........................

110

Escalonamiento en los turbocompresores .........................................

113

8.- Estudio termodinámico del escalonamiento de acción.

8.1

Generalidades .................... ,...............................................................

117

8.2 -

Escalonamiento de acción con presión constante en el rotor .............

117

8.3 -

Escalonamiento de acción con entalpía constante en el rotor ............

125

8.4 -

Escalonamientos de velocidad ...........................................................

126

8

9.- Estudio termodinámico dil escalonamiento de reacción. Alabes torsionados. Consideraciones finales sobre escalonamientos. 9.1 -

Esca lona miento de rea cdón ....................................... ............. ...... 9.1.1 -

9.2

9.3 -

Escalonamiento de grado de reacción 0.5 con recuperación de la velocidad de salida .........................................

131

Alabes torsíonados ........................................................................ .

135

9.2.1 -

Ecuación diferencial del equi librío radia I .......................

136

9.2.2 -

Leyes torsiona les ................................. ...........................

138

Otros números ádimensiona les utí lizados en el estudio de las turbomáquinas ................................................................... ....... ...............

9.4 -

131

139

Consideraciones generales sobre el empleo de los diferentes escalonamientos ......................................................................................

142

10.- Pérdidas en las turbinas. Regulación de las turbinas de vapor.

10.1

10.2 -

Clasificación de las pérdidas

149

10.1.1 -

Pérdidas internas .................... ........................................

149

10.1 .2 -

Pérdidas externas ............... .............................................

154

Saltos entálpicos, rendimientos y potencias ...... ;.............................

155

10.2.1 -

Referidos al escalonamiento ..........................................

155

10.2.2 -

Referidos al conjunto de la máquina ..............................

156

10.3

Regulación de las turbinas de vapor .............................................. ..

157

1DA

Métodos de regulación .................................................................. ..

159

10.4.1 -

Consumo de vapor en función de la carga ...................... .

164

10.4.2

Reguladores de velocidad ............................................... .

165

9 Pág. 10.5 - Comportamiento de turbogeneradores conectados en paralelo ...............

167

11.- Turbocompresores.

11.1 - Generalidades .........................................................................................

169

11.2 - Estudio termodinámico del escalonamiento de un turbocompresor cen .. tr ífugo ........................................................................ ............................

172

11.3 - Estudio termodinámiro del escalonamiento de un turbocompresor axial.

179

11.4 - Aplicación deJa aerodinámica al diseño de las turbo lT'.áq uinas térmicas....

181

1.- LA MAQUINA TERMICA. GENERALIDADES

1.1.- La máquina de fluido. Recibe el nombre de máquina de fluido el conjunto de elementos mecánicos

que

permite intercambiar energ ía mecánica con el exterior, generalmente a través de un eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina.

Si se transmite energía medinica al exterior disminuyendo la energía del fluido, la máquina recibe el nombre de motora. Si por el contrario, se absorbe energía mecánica del exterior aumentando, en consecuencia, la energía del fluido, la máquina se llama generado-

ra. En la figura 1-1 aparecen los esquemas de ambas máquinas.

"tu

Energía

de entrado

>

f

1

Energía

Energía da entroda

de solido

Móquina motora

<

Energía

de salido

Máquina generadora

FIGURA 1-1

Las maquinas de fluido, ya sean motoras o generadoras, se pueden clasificar, aten·· diendo a la variabilidad del volumen espedfico del fluido que atraviesa la máquina, en má· quinas hidráulicas y m~quinas térmicas. En las primeras, rompiendo con la restricción eti··

12

mológica que impone la palabra hidráulica, se incluyen modernamente las maquinas que emplean fluidos prácticamente incompresibles (líquidos) o fluidos que, siendo compresibles (gases). se comportan prácticamente como incompresibles en la máquina, Esta ultima consideración permite clasificar al ventilador como máquina hidréiulica. En las máquinas térmi-

cas, por el contrario, evolucionan fluidos compresibles que tienen una compresibilidad no despreciable. La compresibilidad juega un papel muy importante en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido y el eje de la maquina, ya que, como enseña la termo· dinámica, la variación del volumen espedfico es el mecanismo que permite la transformación de energía térmica en mecánica y, por tanto, su posterior aparición en el eje de la máquina, Unos ejemplos ayudarán a comprender mejor lo indicado anteriormente,

Caso de máquina hidráulica motora. En una turbina hidráulica la energ la térmica del agua no podrá ser transferida al eje de la máquina, ya que la incompresibilidad del fluido impide su transformación en energla mecánica en el seno de la corriente y su posterior transmisión al eje de la máquina. Si eleva mas la temperatura de entrada del agua a la turbina, la temperatura de salida se incrementará pero la energl'a mecánica que sale por el eje, suponiendo el rendimiento mecánico la unidad y la fricción fluida despreciable, será la diferencia entre las energlÍ:¡s mecánicas del fluido a la entrada ya la salida de la máquina.

- Caso de máquina termica motora. En una turbina de vapor, al expansionarse el fluido en la maquina se incrementa la energl8 mecanica de la corriente a expensas de su estado térmico. La energía mecánica obtenida en el eje procede: una parte de la mecánica que tenía la corriente, y otra de la termica disponible, transformada en parte en mecánica por expansión. Esta transformación ha sido posible, como hemos visto, por la variación del volumen específico del fluido que evoluciona en la máquina.

Las máquinas de fluido se pueden clasificar, ademas, en otros dos grupos caracterlSticos: maquinas de desplazamiento positivo y turbomáquinas,

En las máquinas de despiazamiento positivo o volumétricas existe una cierta cantidad bien definida de fluido que atraviesa la máquina en cada instante.

En las turbomáquinas, por el contrario, el volumen o la masa desplazada no esta materializada por un contorno definido, sino que el flujo es contínuo ..

13

En las turbomáquinas 1a transferencia de energia del fluido al eje se basa en el Teorema del Momento Cinético, que conduce a la ecuación de Euler o ecuación básica de las

turbomáquinas.

Las máquinas de desplazamiento positivo las podemos a su vez dividir en máquinas alternativas (de cilindro y pistón) y maquinas rotativas.

El cuadro que aparece a continuación resume la clasificación de las Máquinas de Fluido Termic: 77Tv

77TG

En general las combinaciones de vapor y gas estudiadas mejoran el rendimiento. Conviene no olvidar, sin embargo, que el rendimiento o la potencia específica no son los

único~

fac-

tores a considerar a la hora de elegir una instalación. Otros factores que hay que tener en cuenta son: coste de primer establecimiento, fiabilidad, período entre revisiones, tipo

de

combustible, etc.

4.4.- Combinación de ciclos de gas con procesos qu ímicos. El ciclo de la turbina de gas aparece con frecuencia asociado a procesos qu ímicos y metalúrgicos. COfT!o ejemplos, y sin entrar en el estudio detallado de este tipo de instalaciones, tenemos en la figura 4;-15 el proceso Houdry de cracking catalítico de la nafta yen la figura 4-16 el esquema de una instalación para producir ácido nítrico partiendo de la combustión del aman;::>""

70

r------T -------\ ~~~

I

A

ce

e

o

FIGURA 4-15 PROCESO HOUDRY C, compresor - T, turbina - CC, camara de combustión~, calentadores - B, bomba de alimentación - A, cámaras de cracking - D, torre de destilación.

A

E R FIGURA 4

16

INSTALACION PARA LA PRODUCCION DE ACIDO NITRICO. A, cámara de combustión cataHtica torre de absorción.

B, recalentador

D, caldera de recuperación - R, condensador

E,

11

4.5.- Combinación de ciclos de gas con motores de émbolo.

Estas instalaciones

respond~n

a los tres tipos siguientes:

a) Sobrealimentación de motores de émbolo b) Motores híbridos que responden a un esquema parecido al consideraóo en el caso anterior. cl Motor alternativo de émbolos opuestos que opera como generador de gas y que al imenta a una turbina de escape.

La sobrealimentación con turbina de escape se basa en alimentar una turbina con los gases de escape de un motor alternativo y accionar con la misma, en eje libre, un turbocompresor para sobrea limentar el motor. De este tema nos ocuparemos extensamente a l estudiar los motores a Iternativos de combustión interna.

Si cortamos prematuramente la expansión de un motor alternativo, nos aumenta, como se verá oportunamente, la energía disponible en el escape por encima del valor necesario para accionar el compresor. Si el exceso de potencia lo transmitimos por medio de una serie de engranajes al cigüeñal del motor, tendremos un motor hfbrido. Este tipo de motores, que corresponde a los más sofisticados motores de émbolo que fueron empleados en aviación, es prácticamente inexistente en la actualidad, al desplazar la turbina de gas al motor de pistón en la propu Isión aérea.

El generador de émbolos libres es básicamente un motor de émbolo de d,?s tiempos sin cigüeñal, en donde, al cortar mucho el proceso de expansión, toda la energía del proceso aparece en los gases de escape de forma que se puede accionar el rodete de una turbina. Este esquema equivale al de una turbina de gas en la que el turbocompresor y la cámara de combustión (generador de gas) se sustituyen por un motor de émbolo.

Con muy ligeras variantes, reduciendo la energía del escape, el generador de émbolos libres se puede utilizar como motocompresor. Este tipo de motor, fabricado por Sigma

en Fr.a.ncia con licencia Pescara, fue utilizado como motor en alguna pequeña central eléctrlc.a y en propulsión naval estando en la actualidad prácticamente abandonado.

72

Esquemas de sobrealimentación con turbina de escape, motor híbrido y generador de émbolos libres aparecen en las figuras 4-17, 4-18 Y 4-19.

FIGURA 4-17

FIGURA 4-18

1 FIGURA 4-19

5.- MOTORES DE REACCION

5.1.- General ¡dades:

En los motores de reacción, la energía mecánica producida pOi el proceso de combustión aparece en forma de energ ía cinética de una corriente de flu ído en lugar de pre-sentarse, como es usual, como energía mecánica en un eje.

Los motores de reacción se pueden, en principio, clasificar en los dos grupos siguientes: A)

Moto~es

de reacción autónomos o cohetes.

B) Motores de reacción no autónomos o aerorreactores.

Los primeros se caracterizan porque las sustancias reaccionantes, denominadas propu/santes, van asociadas al propio motor, es decir no se toma ninguna de ellas del medio -

ambiente que rodea el motor. En los segundos, por el contrario, una de las sustancias,

el

aire, se toma del medio exterior.

Los motores de reacción autónomos o cohetes (qu ímicos) se clasifican, a su vez, atendiendo al estado físico de las sustancias que reaccionan, en:

A1} Cohetes de propu Isante líquido. A2) Cohetes de propulsante sólido. Los primeros generalmente emplean dos sustancias, por ejemplo oxígeno líquido y keroseno, cuyo conjunto recibe el nombre de bipropu/sante. Cuando se emplea una sola sustancia, por ejemplo hidracina, podemos hablar de unmonopropu/sante. La hidracina se descompone en forma fuertemente exotérmica con la ayuda de un catalizador.

74

Los cohetes de combustible I íquido,por su más fácil regulación, se emplean en la actualidad como lanZadores espaciales. La compleja preparación que requiere el lanzamiento de estos cohetes es un serio inconveniente para aplicaciones militares, por lo que en este campo han sido prácticamente sustituidos por los de combustible sólido (Minuteman, Polaris, Poseidon, etc). Los aerorreactores se clasifican en: B1) Aerorreactores con compresor. Tu rborreactor. Turbofán. Tu rbohé Iice Estos motores integran las llamadas turbinas de gas de aviación. El turbohélice es en parte un turboeje yen parte un motor de reacción. 82) Aerorreactores sin compresor. Estator reactor Pu lsorreactor.

5.2.- Motores cohete 5.2.1.- Determinación del empuje. El motor cohete está básicamente formado por una cámara de combustión y una tobera propulsiva. En

la

cámara de combustión se produce una reacción qu ímica con la

consiguiente elevación de la presión y de la temperatura de los productos de la combustión. Los

gases se expanden en una tobera (grado de expansión frecuentemente de 40/1) con

un incremento en la cantidad de movimiento que lleva emparejado la aparición de una fuerza de sentido cpntrarío denomi nada empuje.

Dados los gastos másicos de las sustancias reaccionantes (oxidantE y reductor) la presión y temperatura de los productos de la reacción se determinan teniendo en cuenta que: al En régimen estacionario, los gastos másicos de las sustancias que se introGucen en la cámara

d~

combustión coinciden con el gasto másico de los producms a través

75

de la tobera de descarga. El gasto másico en una tobera vale:

G en donde:

Po ,Tu

=

presión y temperatura en la cámara de combustión, y por tanto de entrada a la tobera. sección de salida. función conocida de las presiones de entrada, Po , Y salida, p,.

b) T o será la temperatura de combustión adiabática a la presión total Po que depende de la composición de los productos de la reacción, función, a su vez, de las reacciones de equilibrio qu ímico cuyas constantes dependen de la temperatura T o . La resolución de este problema por aproximaciones sucesivas, como enseña la Termodinámica, permite determinar los valores de Po Y T o y, en consecuencia, como se verá oportunamente, la velocidad de descarga ca.

En la figura 5-1 representamos el esquema de un motor cohete.

C0,5

(32

90°

R:::::: 0,5

(32

> 90°

R